LycéeBac

LEÇON · 2BAC

Oscillations mécaniques et énergie

physique-chimie-biofContenu pédagogique original

Objectifs d’apprentissage

Décrire un oscillateur harmonique idéal.

Relier période, fréquence et énergie mécanique.

Introduction

Un oscillateur effectue un mouvement autour d'une position d'équilibre ; son évolution dépend des forces de rappel et des dissipations.

Cours

Pour un oscillateur harmonique idéal, x(t)=Xmax cos(ωt+φ), avec ω=2π/T=2πf. La période T est en secondes et la fréquence f en hertz. Pour un ressort de raideur k et une masse m, T=2π√(m/k) dans le modèle idéal. L'énergie mécanique se répartit entre énergie cinétique et énergie potentielle élastique : Ec=½mv² et Epe=½kx². Sans frottement, leur somme reste constante ; avec amortissement, l'énergie mécanique diminue.

Exemples guidés

  1. Si T=0,50 s, alors f=2 Hz.
  2. Augmenter la masse d'un oscillateur à ressort augmente sa période.

Activités d’apprentissage

  1. Calculer f pour T=0,20 s.
  2. Décrire l'énergie cinétique et potentielle aux extrémités et au passage par l'équilibre.
  3. Préciser l'effet de frottements sur l'amplitude.

Exercices d’application

  1. Un oscillateur a une période de 0,40 s : calculer sa fréquence.
  2. Si la masse est multipliée par quatre et k reste constant, comment varie T ?

Correction

f=1/0,40=2,5 Hz. Comme T est proportionnelle à √m, multiplier m par quatre double la période.

À retenir

Utiliser f=1/T et identifier le modèle ; l'énergie se conserve idéalement mais se dissipe en présence de frottements.

Référence pédagogique

Leçon pédagogique originale, à confronter au programme officiel et au cours de l'enseignant

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